[Operating System] 운영체제의 구조

• 이 글은 '쉽게 배우는 운영체제' 책을 토대로 작성하였습니다

커널과 인터페이스

커널

프로세스 관리, 메모리 관리, 저장장치 관리와 같은 운영체제의 핵심적인 기능을 모아놓은 것으로, 자동차가 운영체제라고 한다면 엔진이 커널에 해당한다. 세단, 스포츠카, SUV 등 자동차의 종류는 다양한 것처럼 운영체제의 종류는 다양하지만 성능을 결정하는 것은 커널이 좌우한다.

인터페이스

커널에 사용자의 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자에게 알려주는 역할, 자동차의 핸들, 브레이크, 계기판 등이 인터페이스에 비유된다.

[그림] 을 보면 운영체제는 두 부분으로 나뉘는데 커널에 명령을 전달하고 실행 결과를 사용자와 응용 프로그램에 돌려주는 인터페이스와 운영체제의 핵심기능을 모아놓은 커널이다.

 

운영체제는 커널과 인터페이스를 분리하여, 같은 커널이여도 다른 인터페이스 형태로 제작 가능하다. 같은 커널이라도 다른 인터페이스가 장착되면 사용자에게 다른 운영체제로 보인다. 예를 들어 유닉스의 사용자 인터페이스는 쉘(shell)이라고 하며, bash 쉘, C 쉘, T 쉘 등 여러 종류의 쉘이 있다. 이처럼 인터페이스에 따라 사용자가 사용하기에 불편함의 정도가 달라서 운영체제를 어렵게 느끼곤 한다.

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시스템 호출과 디바이스 드라이버

시스템 호출

커널이 자신을 보호하기 위해 만든 인터페이스이다. 커널은 사용자나 응용 프로그램으로부터 컴퓨터 자원을 보호하기 위해 자원에 직접 접근하는 것을 차단한다.
따라서 자원을 이용하기 위해서는 시스템 호출이라는 인터페이스를 사용하여 접근하여야 한다.
ex) printf 함수는 사용자가 시스템의 특정 위치에 문자를 출력할 수 있게 하는 시스템 호출이다.

[ 특징 ]

• 시스템 호출은 커널이 제공하는 시스템 자원의 사용과 연관된 함수이다.
• 응용 프로그램이 하드웨어 자원에 접근하거나 운영체제가 제공하는 서비스를 이용하려 할 때는 시스템 호출을 사용해야 한다.
• 운영체제는 커널이 제공하는 서비스를 시스템 호출로 제한하고 다른 방법으로 커널에 들어오지 못하게 막음으로써 컴퓨터 자원을 보호한다.
• 시스템 호출은 커널이 제공하는 서비스를 이용하기 위한 인터페이스이며, 사용자가 자발적으로 커널 영역에 진입할 수 있는 유일한 수단이다.

드라이버

응용 프로그램과 커널의 인터페이스가 시스템 호출이라면 커널과 하드웨어의 인터페이스는 드라이버가 담당한다.
하드웨어의 종류는 다양하고 직접 각 하드웨어에 맞는 인터페이스를 개발하기는 어렵기 때문에 커널은 입출력의 기본적인 부분만 제작하고, 하드웨어의 특성을 반영한 소프트웨어를 하드웨어 제작자에게 받아 커널이 실행될 때 함께 실행되도록 한다.
이 때 하드웨어 제작자가 만든 소프트웨어를 디바이스 드라이버라고 부른다.

 

[그림]에서 보면 시스템 호출은 커널 전체 영역을 감싸고 있는데, 이는 시스템 호출을 거치지 않고서는 커널에 진입할 수 없다는 의미입니다. 하지만 드라이버는 일부 영역으로 표시되고 있는데, 이는 커널이 제공하는 드라이버( 키보드 , 마우스 ..)도 있고 하드웨어 제작자가 제공하는 드라이버도 있다는 뜻입니다.

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커널의 구성

운영체제의 핵심 기능을 모아 놓은 커널이 주로 하는 일은 메모리 관리, 프로세스 관리, 파일 시스템 관리, 입출력 관리, 프로세스 간 통신 관리 등이 있다.

 

1. 프로세스 관리 : 프로세스에 CPU를 분배하고 작업에 필요한 제반 환경 제공

2. 메모리 관리 : 프로세스에 작업 공간을 배치하고 실제 메모리보다 큰 가상공간 제공

3. 파일 시스템 관리 : 데이터 저장하고 접근 할 수 있는 인터페이스 제공

4. 입출력 관리 : 필요한 입출력 서비스 제공

5. 프로세스 간 통신 관리 : 공동 작업을 위한 각 프로세스 간 통신 환경 제공

단일형 구조 커널

단일형 구조커널은 초창기의 운영체제 구조로, 커널의 핵심 기능을 구현하는 모듈들이 구분 없이 하나로 구성되어 있다.

 

• 장점 : 모듈이 거의 분리되지 않았기 때문에 모듈 간의 통신 비용이 줄어들어 효율적인 운영 가능
• 단점
   
  1. 모든 모듈이 하나로 묶여 있기 때문에 버그나 오류 처리하기 어렵다
  2. 운영체제의 여러 기능이 서로 연결되어 있어 상호 의존성이 높기 떄문에 기능상 작은 결함이 시스템 전체 성능 문제 야기
  3. 다양한 환경 시스템에 적용이 어렵다. (수정이 불가능 하기 때문에)

계층형 구조 커널

계층형 구조커널은 단일형 구조 커널이 발전된 형태로, 비슷한 기능을 가진 모듈을 묶어서 하나의 계층으로 만들고 계층 간의 통신을 통해 운영체제를 구현하는 방식

 

• 비슷한 기능을 모다 모듈화했기 떄문에 단일형 구조보다 버그나 오류 쉽게 수정
• 오류 발생 시 해당 계층만 고치면 되기 때문에 디버깅도 수월